振动监测故障诊断技术在大型机械设备中的应用研究

　　吴斌宁

　　（华润水泥（南宁）有限公司，广西 南宁 530043）

　　摘要：在大型机械设备的实际使用中，往往会发生若干次机械设备故障，但经过长时间的观测和实验表明，大型机械设备在出现事故前均会显示出现反常的设备振动。经过研究和了解机械振动的变化规律，能够从振动信息中获知典型的机械设备故障特征。对大型机械设备开展日常振动检测，能够及时发现机械设备内部缺陷，在机器设备运转中或不大修的情况下，查明事故产生的主要原因和部位，及时预测设备技术状况，以便维护大型机械设备在良好工作状态。

　　关键词：振动监测；故障诊断技术；大型机械设备应用　　文献标识码：A　　中图分类号：TM307

　　文章编号：2096-4137（2023）06-139-03　　DOI：10.13535/j.cnki.10-1507/n.2023.06.47

　　机械设备正常运行必然会产生振动，就算机械设备处于良好的工作状况，由于微小的缺陷或外部刺激，也必然会产生振动。因此，涡轮、离心压缩机、气体压缩器、鼓风机、电机、发电机、油泵和各类齿轮变速箱等在工作时，也必然会产生振动和噪声，据目前多方资料计算，机械中因为振动而产生的故障，占全部的机械故障率的60% ～ 70%。所以采用振动信号检测、监控与分析，分析装置工作状况，是减少装置振动与噪声、增加装置寿命、保持产品系统稳定、节能降耗的良好途径。

　　1　振动产生的原因

　　动设备的主体结构一般由定子、支承叶轮的轴承、定子、电机外壳、联轴节等部分构成，另外，还有齿轮组合传动件、叶轮联轴器和密封件，驱动的速度范围通常从每分钟数千转至数十万转。动机械设备的振动由2 种振动源产生：一种是由转子的动、静态不协调，零件搭配错误，零件配合缝隙过大所造成的机器强迫振动，其中还包括周期震荡、冲击振动、随机振动等，另外，还会产生噪声，这些振荡均有周期性的特征频率，振动的转子速度为相应参数，构成不同速度下的强迫振荡。另一种振动，是指由系统本身结构的激振或环境振动所产生的振动、比如：流体的喘振、轴承的润滑油膜震荡、机械元件自激振动，结构的局部振动等。这一类振动的主要特征是和运动装置的工作速度、功率阶数并无直关联。由于转子叶片、轴承、壳体、联轴节、密封结构与基础等部分的构造以及工艺与装配方面的问题，都会使机械或设备在正常工作时产生振动，而振动常常是机械设备损坏的主要因素，所以对运动装置的振动检测、监控与分析相当关键，也因为振动这个技术参数比其他工作状况技术参数（比如润滑油或里面流体的工作温度、压强、流速或电机的电流等）更能直观、快速、精确地反映机械设备工作状况，故振动通常成为人们对机械设备状况作出判断的主要依据。动的振动测量、监视与诊断是一个综合型的专业领域，从工作原理上主要包括到叶轮动力学、轴承、流体力学等。

　　2　振动监测的基础一大型机械设备的特征

　　大型机器中很大比例都采用了大型回转设备，而大型回转设备又大致分为航空引擎、马达、引擎组、轧钢设备、离心压缩机、蒸汽涡轮等所有可以通过齿轮传动装置实现增长减速的机器。尽管不同机器在性能使用方面截然不同，但是通过研究他们的共性，可以发现大型回转机器的大部分工作原理都是通过回转运动来完成并且具有动力强、速度高优点。它的重要部件结构一般有定子、支撑机构定子轴承、副定子、齿轮传动件联轴节齿轮与联轴器、底座、电机外壳等。这些大型设备在工作过程中容易产生振动，过大的振动极易导致设备的破裂，产生机械故障，机械振动的参数的改变能够比较直观迅速地反映设备工作的情况。根据设备的这种特性，对设备的振动检测、计算，以便对机械故障作出判断，保障设备平稳工作。

　　3　振动信号的识别与获取

　　大型机械工作过程中都会产生振动现象，机械的振动具有特定的规律性，机械工作的状态信息很多都能够利用机械设备的振动信息来描述，在机械工作发生故障或者异常时，振动会产生振幅增大的变化。机器工作中产生各种种类、性质、部位和原因的故障或异常时，所产生的振动幅度都是不同的，而通过不同的振动规律特点，就能够分析振动的幅度高低、相位差别、波形形状、频功率成分、功率分配等。即便是在系统中，同样的问题出现在不同的地方，故障激励的路径也会有所不同，振动的性质也会产生很大不同。设备工作功能以及故障激励因素确定了机械设备的振动。对于振动信息的辨识和提取，可通过声音测量装置，对有关振动的声音信息加以收集、测量、编码，或借助常见的三维谱阵、频域分析法、瞬态频率分析法、时域分析法、轴心轨迹图、波德图、数字滤波、月相分析方法等常用方法对振动信息加以分析整理，从而得出信息中所反映的设备工作情况。

　　4　振动检测及故障诊断技术的应用体现

　　4.1　基本原理

　　机械元件在运行过程中，通常都会引起振动，同时产生强烈的噪声，当机械元件的某些部位出现问题隐患时，也会导致其产生的振动和噪声改变，这些微小的改变在早期仅靠肉眼是很难看到的。通过某些特定的高科技检测仪器可以将其中微小的波动采集出来，以数据的形式产生影像，人们经过对这些影像的识别，就可以判断机电设备目前的运行情况，也可以找出制造装置前期故障的根本来源。

　　4.2　硬件组成

　　用振动检测可以实现在机械器件上的故障监测系统，其实质就是机械装置上的检测点，又称为加速度感应器。由于机械设备在工作过程中会产生振动，所以加速度感应器要采集由其振动所产生的振动数据，再把它转化作为交变的电信号，通过抗干扰的线路后，将信息传送给数字的预处理仪表。但是由于经过感应器所发送的数字功率相当小，而且里面含有许多根本不能用的数字，比如噪声，所以必须经由数字的预处理仪对数字加以放大信息处理，同时滤掉一些没用的嘈杂数字。振动数据先经由数据的预处理技术仪器的滤波与放大处理，再传送给A/D 卡，从而完成对振动消息的数模转换，也就是人们常说的取样，将收集到的样品经由电脑的数据处理与分析以后保存到硬盘，可以实现二十四小时不间断检测。在此期间，运用先进的检测方式和计算机技术完成对采集样品的数据处理和分析，从振动数据当中抽取出各种有益的数据，对机械设备的运行状况做出了清晰的掌握，从而达到对机电设备的故障检测和判断的目的。

　　4.3　软件组成

　　与监测控制系统共同应用的计算机软件一般具备如下功能：数据处理软件和数据分析功能。利用加速度感应器所收集到的即时信息，运用系统软件程序中的数据分析功能，完成对各个信息的即时收集、信息报警与结果的统一管理。利用对机电元件工作状况的分析，通过对产生故障的主要因素的分析，以及运用故障随机分析和趋势分析等方法，能够对机电元件出现故障的情况进行精确预报，便于维修或采取相应的解决方法。机电元件监测控制系统一般具备十分完备的数据处理软件，对其的实时监控一般能够使用日数据、星期信息和分钟数据。而分钟数据则需要每间隔3min 抓取一个数据样本，存储最近120 个星期之内的所有信息，超出了存储范围的信息将会被自动清理。而系统的档案管理模块则能够将这部分信息转存到其他的文件当中，也能直接将信息打印与展示出来。

　　5　大型设备常见故障与振动检测故障诊断技术的应用

　　5.1　转子不平衡故障

　　在重大设备工作流程中，定子不均衡问题是较为普遍的机械故障现象。定子质量不平衡问题主要包含定子部分缺损和转子品质离心二类现象。定子部分缺损主要是由设备在工作流程中，遭受损坏或锈蚀或材料结垢或疲劳应力的影响，导致定子的主要零件部分发生破裂或松动等现象，并由此产生了定子质量不平衡问题，从而产生了异常振动；而定子品质离心主要是由于定子质量不平衡、或设计上存在偏差或安装错误等因素，从而产生了非正常振动现象。转子不均衡问题所形成的振荡特点为：从振荡频谱方面考虑，不均衡振荡的频谱组成简单而明确，从相位上考虑垂直向和水平向的相位差约为90°，并存在径向振荡高于轴承振荡，水准方位振荡高于直角方位振荡的特点。

　　5.2　转子不对中故障

　　转子不对中问题也是机械设备的常见故障之一，当定子对中不良时会增大定子力给密封件和轴承所造成的应力，并由此引起机械设备部件能耗增大或机械磨损，转子不对中包括了径向不对中和轴向不对中2 种情形。而造成转子不对中的主要因素包括机械元件安装不准确、耦合面和主轴方向不垂直、地基柔性不够强导致的螺栓移位、大扭矩所引起的柔性支座弯曲或变形等。而在发生转子不对中问题的同时，还将增加一定的弯矩，弯矩形成附加激励；在振荡频率方面，径向不对中会发生二倍转频高，轴向不对中体现为同频振荡突出，二者共同点是发生了旋转次数超过二倍基准频率或四倍基准频率，且有较高次倍频情况的，发生平行角不向中故障，具体表现在相位特征上为定子二端径向振荡相位发生差别；发生轴向不对中故障，则具体表现在相位特征上为联轴器二端轴向振动相位差为180°，但径向上相位相同。

　　5.3　基座或装配松动故障

　　通常，基座的安装松动现象是由于搭配不均匀情况下而产生、反映出的震荡，也反映为非线型，如地脚松动时，其垂直于走向的振动表达得尤为强烈和突出，但如果是零件搭配上存在松散的情况，其振动的横向表达得便不突出；在振幅方面经过解析，由于基础或装配的松动产生震荡，其频率显示出忽大忽小的无规律状态，呈跳跃式震荡；在振荡频谱方面经过解析，除去基频部分之外，出现了频谱奇置的情况，同时伴随着3 倍、5 倍或者是7 倍谐波的传动部分。

　　5.4　转子与定子摩擦故障

　　转子和定子的摩擦是干摩擦问题，一般反映在径向的摩擦。发生转子与定子的摩擦故障之后，一般振荡特性就会显示为本构的非线性振荡情况，其频带区域范围很广，除基础频段以外，也可能出现了2 倍或3 倍或者是1/2，甚至1/3 的谐波成分，其一般故障特性表现在示波图上，会产生削波状态，摩擦故障所特有的标志就是产生了“截头余弦”形态的示波图。在某些特定状态下，转子与定子摩擦故障就会产生系统中固有频率的振荡情况。

　　5.5　感应电机振动故障

　　发电机是许多重大机械的基础装置，在机械故障时存在各种转动设备的共同点，如出现了定子不对中、轴承基座松动、转子与定位碰撞等问题。通过电机的振动传感器就能够有效查找电机内部出现的问题。影响感应电机产生振动的因素主要包括机械和电气2 种因素，而在电机引起故障的因素中，不仅有机械电机，也可能有电气系统，如由于负载不平衡、匝间故障等问题引发了电机产生异常的振动。例如在发电机工作过程中突然断电，如果电动机振动迅速降低至零，就说明电动机电气系统中存在问题，若发电机振动降低得很明显，就属于机械故障。

　　6　结语

　　综上所述，在大型机械使用过程中，采用振动监测技术开展诊断，就能够对大型机械中经常出现的失效现象做出分析认识，进而及时发现、及时处理问题，从而有效地提升大型设备的维修质量，并取得良好的效果效益。

　　作者简介：吴斌宁（1981-），男，广西玉林人，华润水泥（南宁）有限公司中级工程师，研究方向：机械设备维护。

　　参考文献

　　[1]刘洋，单泉铭，胡向辉.故障诊断技术在电动机维修管理上的应用[J]．内燃机与配件，2019（21）：151-152.

　　[2]于宗营.人工智能在机械设备故障检测中的应用[J]．中国金属通报，2021（8）:265-266.

　　[3]李泽川.暖通空调系统故障诊断技术及应用[J]．砖瓦世界，2022（13）:43-45.

　　（责任编辑：肖央然）